CN110484010A - 一种道路用生物基橡胶改性沥青及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种道路用生物基橡胶改性沥青，由包括以下组分的物料制成：基质沥青20重量份～80重量份；生物沥青5重量份～60重量份；废旧橡胶粉10重量份～40重量份；含硫稳定剂1重量份～5重量份；分散剂3重量份～10重量份；油性剂1重量份～5重量份；聚磷酸1重量份～3重量份；苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯嵌段共聚物1重量份～10重量份。该道路用生物基橡胶改性沥青采用特定含量组分，实现较好的相互作用，得到的道路用生物基橡胶改性沥青具有良好的综合路用性能，并且充分利用生物沥青、废旧橡胶粉等材料，既可以解决橡胶沥青粘度大易离析的问题，又可大幅提高可再生废旧材料在道路工程中利用比例，节约不可再生资源，从而能够实现道路工程的可持续发展。
Description
技术领域
本发明涉及交通运输工程建设技术领域，更具体地说，是涉及一种道路用生物基橡胶改性沥青及其制备方法。
背景技术
高速公路的快速发展亟需大量优质的沥青材料，传统的沥青多为进口原油炼制而成，成本较高。当前我国高速公路里程迅猛增长，截止到2017年底，我国公路通车总里程达477.35万公里，其中高速公路里程为13.64万公里，到2020年，我国公路通车里程将达500万公里，其中高速公路建成里程15万公里。目前，我国90％以上的高速公路为沥青路面，统计表明，修建每公里高速公路需要沥青400余吨，而巨大的市场需求又不断推动沥青价格不断上涨。此外，石油资源的不可再生性又限制了现有道路建设与养护模式的不可持续性，使得公路工程可持续发展面临巨大挑战。因此，研发新型石油沥青替代产品已成为国内外道路工程领域研究的重中之重。
生物沥青是指生物质经快速热解得到的生物油、农作物加工后的底物以及油脂行业下游产品中经分馏、提纯等工艺升级后制备的沥青类材料；其具有来源广泛、储备量大、成本低廉、绿色无污染以及可再生的特点，并且可以有效缓解石油沥青不可再生和公路工程快速发展之间的矛盾，同时又可减轻工、农、林业废弃物处理造成的的环境压力。
但是，现有技术中的生物沥青在作为公路沥青材料使用时存在高温稳定性及水稳定性偏弱的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种道路用生物基橡胶改性沥青及其制备方法，本发明提供的道路用生物基橡胶改性沥青具有良好的综合路用性能，能够实现道路工程的可持续发展。
本发明提供了一种道路用生物基橡胶改性沥青，由包括以下组分的物料制成：
基质沥青20重量份～80重量份；
生物沥青5重量份～60重量份；
废旧橡胶粉10重量份～40重量份；
含硫稳定剂1重量份～5重量份；
分散剂3重量份～10重量份；
油性剂1重量份～5重量份；
聚磷酸1重量份～3重量份；
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物1重量份～10重量份。
优选的，所述基质沥青包括50#石油沥青、70#石油沥青、90#石油沥青和110#石油沥青中的一种或多种。
优选的，所述废旧橡胶粉为废旧汽车轮胎加工而成的像胶粉；所述废旧橡胶粉的颗粒细度为20目～100目。
优选的，所述含硫稳定剂的含硫量为30％～70％。
优选的，所述分散剂选自富芳烃溶剂油和/或糠醛抽出油。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的道路用生物基橡胶改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a)将基质沥青和生物沥青进行第一次混磨，得到生物改性沥青；
b)将步骤a)得到的生物改性沥青与废旧橡胶粉、含硫稳定剂、分散剂、油性剂、聚磷酸进行第二次混磨，得到生物橡胶沥青；
c)将步骤b)得到的生物橡胶沥青与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物进行第三次混磨，得到生物橡胶改性沥青；
d)将步骤c)得到的生物橡胶改性沥青进行发育，得到道路用生物基橡胶改性沥青。
优选的，步骤a)中所述第一次混磨的装置为胶体磨或高速剪切机；所述第一次混磨的温度为120℃～180℃，时间为10min～40min。
优选的，步骤b)中所述第二次混磨的装置为胶体磨或高速剪切机；所述第二次混磨的温度为140℃～220℃，时间为20min～60min。
优选的，步骤c)中所述第三次混磨的装置为胶体磨或高速剪切机；所述第三次混磨的温度为140℃～220℃，时间为10min～40min。
优选的，步骤d)中所述发育的过程在搅拌下进行，所述搅拌的转速不低于500r/min；所述发育的温度为155℃～185℃，时间为30min～120min。
本发明提供了一种道路用生物基橡胶改性沥青，由包括以下组分的物料制成：基质沥青20重量份～80重量份；生物沥青5重量份～60重量份；废旧橡胶粉10重量份～40重量份；含硫稳定剂1重量份～5重量份；分散剂3重量份～10重量份；油性剂1重量份～5重量份；聚磷酸1重量份～3重量份；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物1重量份～10重量份。与现有技术相比，本发明提供的道路用生物基橡胶改性沥青采用特定含量组分，实现较好的相互作用，得到的道路用生物基橡胶改性沥青具有良好的综合路用性能，并且充分利用生物沥青、废旧橡胶粉等材料，既可以解决橡胶沥青粘度大易离析的问题，又可大幅提高可再生废旧材料在道路工程中利用比例，节约不可再生资源，从而能够实现道路工程的可持续发展。
另外，本发明提供的制备方法工艺简单、操作易控，适合大规模生产应用。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种道路用生物基橡胶改性沥青，由包括以下组分的物料制成：
基质沥青20重量份～80重量份；
生物沥青5重量份～60重量份；
废旧橡胶粉10重量份～40重量份；
含硫稳定剂1重量份～5重量份；
分散剂3重量份～10重量份；
油性剂1重量份～5重量份；
聚磷酸1重量份～3重量份；
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物1重量份～10重量份。
在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括基质沥青、生物沥青、废旧橡胶粉、含硫稳定剂、分散剂、油性剂、聚磷酸和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的物料制成，各组分在上述特定含量下发生复合，并实现较好的相互作用，从而使得到的产品具有良好的综合路用性能。
在本发明中，所述基质沥青为该道路用生物基橡胶改性沥青的主要原料；所述基质沥青优选包括50#石油沥青、70#石油沥青、90#石油沥青和110#石油沥青中的一种或多种，更优选为70#石油沥青或90#石油沥青。本发明对所述基质沥青的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述50#石油沥青、70#石油沥青、90#石油沥青和110#石油沥青的市售商品即可。
在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括20重量份～80重量份的基质沥青，优选为50重量份。
在本发明中，所述生物沥青优选为生物质(草木、农作物秸秆、动物排泄物等)经快速热解得到的生物油、农作物加工后的底物(玉米、大米、咖啡、茶叶等)以及油脂行业下游产品(地沟油、棉籽油、大豆油、蓖麻油、棕榈油等)经分馏、提纯等工艺升级后制备的沥青类材料；其为可再生资源。本发明采用生物沥青和废旧橡胶粉代替部分石油沥青，既可以解决橡胶沥青粘度大易离析的问题，又可大幅提高可再生废旧材料在道路工程中利用比例，节约不可再生资源，从而能够实现道路工程的可持续发展。
在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括5重量份～60重量份的生物沥青，优选为20重量份～30重量份。
在本发明中，所述废旧橡胶粉优选为废旧汽车轮胎加工而成的像胶粉；所述废旧汽车轮胎优选包括子午线轮胎和/或斜交轮胎，更优选为午线轮胎；上述废旧汽车轮胎中天然胶含量较高，能够实现对石油沥青的改性。在本发明中，所述废旧橡胶粉的颗粒细度优选为20目～100目，更优选为40目～60目。
在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括10重量份～40重量份的废旧橡胶粉，优选为15重量份～30重量份。
在本发明中，所述含硫稳定剂的含硫量优选为30％～70％，更优选为50％。本发明对所述含硫稳定剂的来源没有特殊限制，如可采用本领域技术人员熟知的市售NH-4稳定剂。在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括1重量份～5重量份的含硫稳定剂，优选为2重量份～2.5重量份。
在本发明中，所述分散剂优选选自富芳烃溶剂油和/或糠醛抽出油，更优选为糠醛抽出油。本发明对所述分散剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括3重量份～10重量份的分散剂，优选为5重量份～5.5重量份。
在本发明中，所述油性剂优选选自高级脂肪酸、高级醇、脂肪酸酯和烷基胺中的一种或多种，更优选为高级脂肪酸和/或高级醇。本发明对所述油性剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括1重量份～5重量份的油性剂，优选为1.5重量份～2重量份。
在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括1重量份～3重量份的聚磷酸，优选为1.5重量份～2重量份。
在本发明中，所述道路用生物基橡胶改性沥青包括1重量份～10重量份的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)，优选为4重量份～5重量份。
本发明提供的道路用生物基橡胶改性沥青采用特定含量组分，实现较好的相互作用，得到的道路用生物基橡胶改性沥青具有良好的综合路用性能(包括较好的高温稳定性、低温稳定性和变形恢复能力等)，并且充分利用生物沥青、废旧橡胶粉等材料，既可以解决橡胶沥青粘度大易离析的问题，又可大幅提高可再生废旧材料在道路工程中利用比例，节约不可再生资源，从而能够实现道路工程的可持续发展。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的道路用生物基橡胶改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a)将基质沥青和生物沥青进行第一次混磨，得到生物改性沥青；
b)将步骤a)得到的生物改性沥青与废旧橡胶粉、含硫稳定剂、分散剂、油性剂、聚磷酸进行第二次混磨，得到生物橡胶沥青；
c)将步骤b)得到的生物橡胶沥青与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物进行第三次混磨，得到生物橡胶改性沥青；
d)将步骤c)得到的生物橡胶改性沥青进行发育，得到道路用生物基橡胶改性沥青。
本发明首先将基质沥青和生物沥青进行第一次混磨，得到生物改性沥青。在本发明中，所述基质沥青和生物沥青与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述第一次混磨的装置优选为胶体磨或高速剪切机，更优选为胶体磨；所述胶体磨能够对加入其中的物料进行充分搅拌混合及剪切研磨。在本发明中，所述第一次混磨的温度优选为120℃～180℃，更优选为140℃～180℃；所述第一次混磨的时间优选为10min～40min，更优选为15min～20min。
得到所述生物改性沥青后，本发明将得到的生物改性沥青与废旧橡胶粉、含硫稳定剂、分散剂、油性剂、聚磷酸进行第二次混磨，得到生物橡胶沥青。在本发明中，所述废旧橡胶粉、含硫稳定剂、分散剂、油性剂和聚磷酸与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述第二次混磨的装置优选为胶体磨或高速剪切机，更优选为胶体磨；所述胶体磨能够对加入其中的物料进行充分搅拌混合及剪切研磨。在本发明中，所述第二次混磨的温度优选为140℃～220℃，更优选为160℃～210℃；所述第二次混磨的时间优选为20min～60min，更优选为40min～50min。
得到所述生物橡胶沥青后，本发明将得到的生物橡胶沥青与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物进行第三次混磨，得到生物橡胶改性沥青。在本发明中，所述苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述第三次混磨的装置优选为胶体磨或高速剪切机，更优选为胶体磨；所述胶体磨能够对加入其中的物料进行充分搅拌混合及剪切研磨。在本发明中，所述第三次混磨的温度优选为140℃～220℃，更优选为150℃～200℃；所述第三次混磨的时间优选为10min～40min，更优选为15min～25min。
得到所述生物橡胶改性沥青后，本发明将得到的生物橡胶改性沥青进行发育，得到道路用生物基橡胶改性沥青。在本发明中，所述发育的装置优选为具有搅拌功能的发育罐。在本发明中，所述发育的过程优选在搅拌下进行，所述搅拌的转速优选不低于500r/min。在本发明中，所述发育的温度优选为155℃～185℃，更优选为178℃～182℃；所述发育的时间优选为30min～120min，更优选为60min～90min。
本发明提供的制备方法工艺简单、操作易控，适合大规模生产应用。
本发明提供了一种道路用生物基橡胶改性沥青，由包括以下组分的物料制成：基质沥青20重量份～80重量份；生物沥青5重量份～60重量份；废旧橡胶粉10重量份～40重量份；含硫稳定剂1重量份～5重量份；分散剂3重量份～10重量份；油性剂1重量份～5重量份；聚磷酸1重量份～3重量份；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物1重量份～10重量份。与现有技术相比，本发明提供的道路用生物基橡胶改性沥青采用特定含量组分，实现较好的相互作用，得到的道路用生物基橡胶改性沥青具有良好的综合路用性能，并且充分利用生物沥青、废旧橡胶粉等材料，既可以解决橡胶沥青粘度大易离析的问题，又可大幅提高可再生废旧材料在道路工程中利用比例，节约不可再生资源，从而能够实现道路工程的可持续发展。
另外，本发明提供的制备方法工艺简单、操作易控，适合大规模生产应用。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
原料技术指标：
生物沥青为基于蓖麻油精制脂肪酸后的底物经脱盐脱水生产的生物沥青，市售；其具体性能参数参见表1所示。
表1本发明实施例1所用的生物沥青的性能参数
基质沥青为辽河大力90#石油沥青，具体性能参数参见表2所示；
表2本发明实施例1所用的基质沥青的性能参数
废旧橡胶粉为子午线轮胎常温粉碎生产的40目橡胶粉，具体性能指标参见表3所示；
表3本发明实施例1所用的橡胶粉的性能指标
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为YH-791H(SBS1301-1，线型)；
含硫稳定剂为盘锦市诚壹技术开发有限公司NH-4稳定剂，含硫量50％。
制备方法：
(1)将500kg的基质沥青、200kg的生物沥青注入第一座胶体磨，在140℃～180℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为15min～20min，得到生物改性沥青。
(2)将步骤(1)得到的生物改性沥青与150kg的废旧橡胶粉、20kg的含硫稳定剂、50kg的糠醛抽出油、15kg的高级脂肪酸、15kg的聚磷酸注入第二座胶体磨，在160℃～200℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为40min～45min，得到生物橡胶沥青。
(3)将步骤(2)得到的生物橡胶沥青与40kg SBS注入第三座胶体磨，在150℃～200℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为15min～20min，得到生物橡胶改性沥青。
(4)将步骤(3)得到的生物橡胶改性沥青注入到具有搅拌功能的发育罐内，发育时搅拌速度不低于500r/min，发育温度控制在180℃±2℃，发育时间为60min～90min，得到道路用生物基橡胶改性沥青，注入沥青储存罐储存。
实施例2
原料技术指标：
生物沥青为基于玉米深加工制备化工醇所得副产品生产的生物沥青，市售；
基质沥青为滨州70#石油沥青，具体性能参数参见表4所示；
表4本发明实施例2所用的基质沥青的性能参数
废旧橡胶粉为子午线轮胎常温粉碎生产的60目橡胶粉，具体性能指标参见表5所示；
表5本发明实施例2所用的橡胶粉的性能指标
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为YH-791H(SBS1301-1，线型)；
含硫稳定剂为盘锦市诚壹技术开发有限公司NH-4稳定剂，含硫量50％。
制备方法：
(1)将500kg的基质沥青、300kg的生物沥青注入第一座胶体磨，在140℃～180℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为15min～20min，得到生物改性沥青。
(2)将步骤(1)得到的生物改性沥青与200kg的废旧橡胶粉、20kg的含硫稳定剂、50kg的富芳烃溶剂油、15kg的脂肪酸酯、15kg的聚磷酸注入第二座胶体磨，在160℃～200℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为40min～45min，得到生物橡胶沥青。
(3)将步骤(2)得到的生物橡胶沥青与40kg SBS注入第三座胶体磨，在150℃～200℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为15min～20min，得到生物橡胶改性沥青。
(4)将步骤(3)得到的生物橡胶改性沥青注入到具有搅拌功能的发育罐内，发育时搅拌速度不低于500r/min，发育温度控制在180℃±2℃，发育时间为60min～90min，得到道路用生物基橡胶改性沥青，注入沥青储存罐储存。
实施例3
原料技术指标：
生物沥青为山东某新能源公司提供的基于废木材快速热解所得生物油经脱水生产的生物沥青；
基质沥青为壳牌90#石油沥青，具体性能参数参见表6所示；
表6本发明实施例3所用的基质沥青的性能参数
废旧橡胶粉为子午线轮胎常温粉碎生产的60目橡胶粉，具体性能指标参见表7所示；
表7本发明实施例3所用的橡胶粉的性能指标
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为YH-791H(SBS1301-1，线型)；
含硫稳定剂为盘锦市诚壹技术开发有限公司NH-4稳定剂，含硫量50％。
制备方法：
(1)将500kg的基质沥青、250kg的生物沥青注入第一座胶体磨，在140℃～180℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为15min～20min，得到生物改性沥青。
(2)将步骤(1)得到的生物改性沥青与300kg的废旧橡胶粉、25kg的含硫稳定剂、55kg的富芳烃溶剂油和糠醛抽出油按质量比1：1混合而成的组合物、20kg的高级醇、20kg的聚磷酸注入第二座胶体磨，在170℃～210℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为45min～50min，得到生物橡胶沥青。
(3)将步骤(2)得到的生物橡胶沥青与50kg SBS注入第三座胶体磨，在170℃～200℃下，进行充分搅拌混合及剪切研磨，时间为20min～25min，得到生物橡胶改性沥青。
(4)将步骤(3)得到的生物橡胶改性沥青注入到具有搅拌功能的发育罐内，发育时搅拌速度不低于500r/min，发育温度控制在185℃±2℃，发育时间为60min～90min，得到道路用生物基橡胶改性沥青，注入沥青储存罐储存。
对本发明实施例1～3提供的道路用生物基橡胶改性沥青的各项性能进行测试，结果参见表8所示。
表8本发明实施例1～3提供的道路用生物基橡胶改性沥青的各项性能数据
实验结果表明，本发明实施例1～3提供的道路用生物基橡胶改性沥青具有良好的综合路用性能，并且充分利用生物沥青、废旧橡胶粉等材料，既可以解决橡胶沥青粘度大易离析的问题，又可大幅提高可再生废旧材料在道路工程中利用比例，节约不可再生资源，从而能够实现道路工程的可持续发展。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种道路用生物基橡胶改性沥青，由包括以下组分的物料制成：
基质沥青20重量份～80重量份；
生物沥青5重量份～60重量份；
废旧橡胶粉10重量份～40重量份；
含硫稳定剂1重量份～5重量份；
分散剂3重量份～10重量份；
油性剂1重量份～5重量份；
聚磷酸1重量份～3重量份；
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物1重量份～10重量份。
2.根据权利要求1所述的道路用生物基橡胶改性沥青，其特征在于，所述基质沥青包括50#石油沥青、70#石油沥青、90#石油沥青和110#石油沥青中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的道路用生物基橡胶改性沥青，其特征在于，所述废旧橡胶粉为废旧汽车轮胎加工而成的像胶粉；所述废旧橡胶粉的颗粒细度为20目～100目。
4.根据权利要求1所述的道路用生物基橡胶改性沥青，其特征在于，所述含硫稳定剂的含硫量为30％～70％。
5.根据权利要求1所述的道路用生物基橡胶改性沥青，其特征在于，所述分散剂选自富芳烃溶剂油和/或糠醛抽出油。
6.一种权利要求1～5任一项所述的道路用生物基橡胶改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a)将基质沥青和生物沥青进行第一次混磨，得到生物改性沥青；
b)将步骤a)得到的生物改性沥青与废旧橡胶粉、含硫稳定剂、分散剂、油性剂、聚磷酸进行第二次混磨，得到生物橡胶沥青；
c)将步骤b)得到的生物橡胶沥青与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物进行第三次混磨，得到生物橡胶改性沥青；
d)将步骤c)得到的生物橡胶改性沥青进行发育，得到道路用生物基橡胶改性沥青。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述第一次混磨的装置为胶体磨或高速剪切机；所述第一次混磨的温度为120℃～180℃，时间为10min～40min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述第二次混磨的装置为胶体磨或高速剪切机；所述第二次混磨的温度为140℃～220℃，时间为20min～60min。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中所述第三次混磨的装置为胶体磨或高速剪切机；所述第三次混磨的温度为140℃～220℃，时间为10min～40min。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤d)中所述发育的过程在搅拌下进行，所述搅拌的转速不低于500r/min；所述发育的温度为155℃～185℃，时间为30min～120min。
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